Статична стійкість системи електродвигун - робоча машина

Під статичною стійкістю системи електродвигун - робоча машина розуміють здатність електропривода повертатися в усталений режим без допомоги регулятора, а тільки завдяки механічним характеристикам двигуна і робочої мангани після того, як система під дією збурювання була виведена з цього режиму. Збурювання надходить у систему як від робочої машини у вигляді зміни навантаження, так і від електропривода при зміні напруги, частоти, опору окремих кіл.

Умову статичної стійкості електрифікованого агрегата можна записати так:

tgj = tgf (1.1.3)

де tgj,tgf - відповідно тангенси кутів нахилу відносно осі механічної швидкості характеристикам двигуна і механічної характеристики робочої машини.

Таким чином, робота електрифікованого агрегата в точці усталеного режиму буде стійкою, якщо біля цієї точки тангенс кута нахилу механічної характеристики двигуна відносно осі швидкості буде меншим від тангенса кута нахилу механічної характеристики робочої машини.

Можливість стійкої роботи асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором на ділянці механічної характеристики, де ковзання понад критичне, цілком залежить від характеру змінювання статичного моменту при зміні швидкості.

Під динамічною стійкістю розуміють здатність електропривода відновлювати усталений режим роботи, порушений збурюючими діями, що змінюються швидко. У цьому випадку виникає значний динамічний момент, який при зниженні швидкості діє в напрямі обертаючого моменту двигуна і допомагає йому переборювати момент статичних опорів робочої машини, а при підвищенні швидкості - направлений проти обертаючого моменту і створює додаткове навантаження на валу двигуна

Механічні та електромеханічні характеристики двигунів постійного струму незалежного і паралельного збуджень

Аналітичні вирази механічних та електромеханічних характеристик двигуна постійного струму незалежного (паралельного) збудження можна одержати з рівняння рівноваги між напругою, прикладеною до якірного кола, та електрорушійною силою (е.р.с.) якоря і спадом напруги в якірному колі при усталеному режимі роботи двигуна.

U = E + I·R, (1.1.4)

де U - напруга прикладена до якірного кола, В;

Е - е.р.с. якоря, В;

I·R - спад напруги в якірному колі, В.

Опір R. складається з внутрішнього опору якірного колаR_я та зовнішнього додаткового опору резистора R_д

Е.р.е. якоря

Е = К · Ф ·  (1.1.5)

де К-коефіцієнт, який залежить від конструктивних даних двигуна (конструктивний коефіцієнт);

Ф - магнітний потік, Вб;

 - кутова швидкість обертання вала двигуна, с^-1.

Конструктивний коефіцієнт

(1.1.6)

де р - кількість пар полюсів;

N і а - кількість активних провідників і паралельних віток обмотки якоря.

Розв'язавши спільно рівняння (1.1.4) і (1.1.5), відносно ω одержимо аналітичний вираз електромеханічної характеристики двигуна

U - I_я · R_я = К · Ф ·  (1.1.7)

(1.1.8)

Електромагнітний момент, який розвивається електродвигуном, пропорційний його магнітному потоку Ф і стру му в колі якоря I, тобто

М = К · Ф · I (1.1.9)

звідки

I = М / К · Ф (1.1.10)

Підставивши у формулу (1.1.8) значення струму, визначене за формулою (1.1.10), одержимо аналітичний вираз механічної характеристики

(1.1.11)

Початкові ординати (відрізки, що відтинаються прямими на осях ординат) виражають швидкість ідеального холостого ходу w_о двигуна, тобто

w_о = U / K · Ф (1.1.12)

Таку швидкість двигун мав би в тому разі, коли б на його валу не було навантаження і втрат у двигуні.

Рис. 4. Механічні характеристики двигунів постійного струму незалежного (паралельного) збудження

Рис. 5. Електромеханічні характеристики двигунів постійного струму незалежного (паралельного) збудження

Пуск двигунів постійного струму незалежного і паралельного збуджень

Можливі два способи пуску цих двигунів: прямий і непрямий.

Прямий пуск здійснюють безпосереднім вмиканням на повну напругу електромережі, яка дорівнює його номінальній напрузі. При цьому, спершу вмикають обмотку збудження, а потім обмотку якоря двигуна. Така послідовність вмикання обмоток необхідна для встановлення на початку пуску повного магнітного потоку, потрібного для створення обертаючого моменту. Якщо обмотку збудження ввімкнути в мережу одночасно з обмоткою якоря, то внаслідок поступового наростання магнітного потоку, що зумовлено великою індуктивністю обмотки збудження, момент на початку пуску буде дуже малим, пуск стане затяжним з великим струмом у колі якоря. Тривалий пуск з великим струмом може спричинити перегрівання двигуна. При значному кидку струму в початковий період пуску на колекгорі двигуна може виникнути сильне іскріння або навіть коловий вогонь, ускладнюється робота захисної і вимірювальної апараіури, на валу двигуна виникає значний динамічний момент. Непрямий пуск застосовують тільки'для двигунів потужністю до 0,5 кВт, які мають підвищений внутрішній опір кола якоря.

Непрямий пуск здійснюють за допомогою спеціальних пускових пристроїв, які дають можливість під пас пуску спочатку знижувати напругу на якорі двигуна до значення, при якому він розвиває допустимий пусковий момент і в колі проходить допустимий пусковий струм, а потім підвищують її до номінального значення. Такими пристроями є пускові резистори, автономні генератори з регулюванням напруги, магнітні підсилювачі, тиристорні перетворювачі.

Реостатний пуск можна здійснювати при плавному зменшенні опору реостата і постійних за величиною значеннях пускового моменту і пускового струму або при ступінчастому зменшенні опору і коливаннях пускового моменту і пускового струму в межах від максимальних до мінімальних значень, допустимих за умовами роботи приводу.

На практиці найбільш поширений пуск за допомогою пускових резисторів, які можуть працювати самостійно або входити до складу блоків резисторів і пускових реостатів.

Пуск можна здійснювати при плавному зменшенні електричного опору резистора і постійних значеннях пускового моменту і пускового струму або при ступінчастому зменшенні опору і коливаннях в межах від максимальних до мінімальних значень, допустимих за умовами роботи приводу.

Частіше застосовують ступінчастий пуск. Спрощена схема вмикання в електричігу мережу та механічні (електромеханічні) характеристики (лускова діаграма) двигуна, що відповідають такому способу пуску, зображені на рис. 6, а, б.

При нормальних умовах пуску (номінальне збудження двигуна, невелике прискорення руху приводу) максимальні значення пускового моменту М, і пускового струму І, приймають за умовами комутації: М₁ = (2-2,5) М ) і І₁ = (2-2,5) І , а мінімальні значення пускового моменту М, і струму І₂ - залежно від моменту статичних опорів М_е на валу двигуна і струму якоряі, що відповідає цьому моменту М₂ = ( 1,1-1,2) М_е і

I₂ =(1,1-1,2)I_e..

Пуск двшуна починають при ввімкнених у коло якоря усіх послідовно

з'єднаних між собою ступенях резистора з опорами г_р1, г_р2,..., г_рп

На початку пуску, коли якір ще не обертається, двигун розвиває максимальний пусковий момент М! і в колі його якоря проходить максимальний пусковий струм I₁ (точка 1, рис. 6, б).

Потім під дією пускового моменту відповідно до механічної (електромеханічної) характеристики 1-2 - ω₀ двигун розганяється, його швидкість зростає, а пусковий момент і пусковий струм зменшуються. Через деякий час, коли пусковий момент і пусковий струм досягнуть мінімальних значень М₂ і І, (точка 2, рис. б, б), за допомогою контактора прискорення К1 закорочується (шунтується) перший ступінь резистора з опором г _г При цьому швидкість двигуна внаслідок інерційності системи "електропривід -робоча машина" не може змінитися раптово, а момеїгг і струм, якщо не враховувати впливу індуктивності якоря, зростають раптово до значень М₁, і I₁ Через це перехід на нову характеристику здійснюється по лінії 2-3, паралельній осі абсцис. Далі двигун буде розганятися згідно з характе ристикою 3-4- w₀, яку магиме двигун при ввімкнених в голо ротора ступенях резистора з опорами r₂,..., r_п Пусковий момент і пусковий струм двигуна знову будуть зменшуватись до мінімальних значень М₂ і І₂ (точка 4, рис. 6,6), при яких за допомогою контактора К2 шунтується другий ступінь резистора з опором г . Здійснюється перехід на наступну характеристику тощо. Після шунтування останнього т-го ступеня резистора з опором г_рт двигун переходить на природну механічну (електромеханічну) характеристику d-е-ω₀ і розганяється до швидкості, яка відповідає його навантаженню.

Рис. 6. Пуск двигуна постійного струму незалежного (паралельного) збудження за допомогою пускових резисторів: а - схема вмикання; б-пускова діаграма

Гальмівні режими роботи двигунів постійного струму незалежного і паралельного збуджень

Гальмівним називають режим роботи, при якому напрям дії обертального моменту двигуна протилежний напряму його руху. Для двигунів постійного струму незалежного і паралельного збуджень можливі такі способи електричного гальмування: рекуперативне, динамічне і противмиканняи.

Рекуперативне гальмування здійснюється тоді, коли при незмінній схемі вмикання двигуна його якір під дією активного моменту статичного опору машини обертається зі швидкістю більшої від швидкості ідеального холостого ходу. При цьому е.р.с. якоря стає вищою від прикладеної напруги і струм в якорі та обертаючий момент двигуна змінюють свій напрям. Двигун працює як генератор паралельно з електричною мережею.

Рівнянім механічної характеристики двигуна, який працює в режимі рекуперативного гальмування, має такий вигляд:

(1.1.13)

Рекуперативне гальмування економічно вигідне, оскільки супровод­жується перетворенням механічної енергії, що надходить з вала робочої машини, на електричну енергію і поверненням її в електричну мережу.

Цей спосіб гальмування застосовують у приводах транспортних машин.

Динамічне гальмування здійснюється так. Якір двигуна вимикають з електричної мережі і замикають його на гальмівний резистор, який забезпе­чує потрібний гальмівний момент на початку гальмування, а обмотку збудження приєднують до джерела постійного струму (для двигунів з незалежним збудженням) або паралельно якорю двигуна - з самозбудженням. Система елеіггропривід - робоча машина рухається за інерцією в тому самому напрямі, що й в двигунному режимі. Двигун працює як генератор, перетворюючи механічну енергію машини на електричну, яка потім витрачається на наїрівання якоря двигуна і гальмівного резистора.

Рівняння механічної характеристики двигуна, що працює в режимі динамічного гальмування, записується так:

(1.1.14)

Динамічне гальмування двигуна просте, надійне й економічне. Недоліком його є зменшення гальмівного моменту при зниженні швидкості обертання двигуна.

Гальмування противмиканням здійснюють зміною напряму обертання якоря двигуна при незмінній дії обертаючого моменту або навпаки зміною напряму дії обертаючого моменту при незмінному напрямі обертання.

Перший випадок реалізується в електроприводах машин з активним моментом статичних опорів (установки для гальмівного опускання вантажу). В цій установці обертаючий момент двигуна діє в напрямі піднімання вантажу, але його величина менша від величини моменту, який створюється вантажем, тому вантаж опускається і обертає якір двигуна в напрямі протилежному дії його обертаючого моменту. Двигун розвиває гальмівний момент. При цьому схема вмикання двигуна в електричну мережу залишається незмінною.

Рівняння механічної характеристики в цьому випадку має вигляд

- (1.1.15)

Другий випадок гальмування противмиканням характерний для електроприводів машин з реактивним моментом статичних опорів і здійснюється зміною полярності напруги підведеної до якоря двигуна. При цьому змінюється напрям дії обертаючого моменту, а якір за інерцією продовжує обертатися у попередньому напрямі. Двигун розвиває гальмівний момент.

Рівняння механічної характеристики в цьому випадку має вигляд

(1.1.16)

У режимі гальмування противмиканням напруга прикладена до якірного кола і е.р.с. якоря мають однаковий напрям, тому в якірному колі протікає великий струм. Для його обмеження в коло якоря двигуна вмикають гальмівні резистори з великим сумарним електричним опором.

Гальмування противмиканням відбувається дуже інтенсивно до повної зупинки двигуна з порівняно малою зміною гальмівного моменту і споживанням енергії з мережі. Порівняно з іншими цей спосіб гальмування неекономічний-.

Рис.7. Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного (паралельного) збудження у гальмівних режимах:

1 - природна в двигунному режимі;

1' - рекуперативне гальмування при R_д =0;

2' - рекуперативне гальмування при R_д>0;

3' - рекуперативне гальмування при R₁, >R_д

3' -гальмуванняпротивмиканюш (випадок 1);

4' - гальмування противмиканням (випадок 2);

5 -динамічне гальмування при R_д=0;

6 -динамічне гальмування при R_д>0;

7-динамічне гальмування при R₁>R_д;

8-динамічне гальмування при R₁>R₂;

Механічні та електромеханічні характеристики асинхронних трифазних двигунів

Аналітичний вираз механічної характеристики асинхрош того двшуна можна одержати користуючись спрощеною схемою його заміщення, показаною на рис. 8.

U_1Ф - напруга, підведена до однієї фази статорної обмотки, В;

I₁ - фазний струм обмотки статора, А;

I₂- фазний струм обмотки ротора зведений до обмотки статора, А;

R₁ і х₁ активний і реактивний опори однієї фази обмотки статора, Ом;

R'₂ і х'₂ -активний і реактивний опори однієї фази обмотки ротора зведені до обмотки статора. Ом;

I_m - фазний струм контура намагнічування;

R_μ і х - фазні значення активного і реактивного опорів контура намагнічування, Ом;

S - ковзання асинхронного двигуна - це різниця між швидкістю обертання магнітного поля і ротора у відносних одиницях.

Ковзання знаходять як відношення різниці між синхронною (и>₀, рад/с) і дійсною (iv, рад/с) швидкістю ротора до синхронної швидкості:

(1.1.17)

де f_1; - частота струму мережі; р - число пар полюсів двигуна.

Рис. 8. Спрощена схема заміщення асинхронного двигуна

При виведенні рівняння механічної характеристики прийняті такі припущення:

• активний опір обмотки ротора не залежить від частоти струму, який в ній проходить;

• насичення магнітної системи двигуна не впливає на величину індуктивних опорів обмоток статора і ротора;

• провідність контура намагнічування не залежить від навантаження (залежить лише від напруги);

• додаткові втрати енергії в двигуні не враховуються;

• моменти, що створюються магнітно-рушійною силою, вищих гармонічних складових не враховуються.

Згідно зі схемою заміщення фазний струм обмотки ротора, зведений до обмотки статора, визначається залежністю

(1.1.18)

Рівняння (1.1.18) є аналітичним виразом електромеханічної характеристики.

З рівняння (1.1.18) видно, що при збільшенні ковзання від S=0 до S=1 струм ротора зростає від I₂=0 до струму короткого замикання I₂= I_2т, який є пусковим струмом двигуна.

За відсутності додаткових зовнішніх резисторів у колі ротора пусковий струм у 5-8 разів перевищує його номінальний струм.

Аналітичний вираз механічної характеристики асинхронного двигуна можна одержати з рівняння (1.1.18), виразивши в ньому зведений струм ротора через електромагнітний обертаючий момент, що виникає внаслідок взаємодії струму ротора з обертовим магнітним потоком.

Електромагнітний момент, Н∙м, визначають за формулою:

(1.1.19)

де Р_с - електромагнітна потужність, яка передається магнітним потоком від статора до ротора, Вт.

Електромагнітна потужність визначається залежністю:

(1.1.20)

Тоді електромагнітний момент:

(1.1.21)

Підставивши в формулу (1.1.21) значення струму, отримаємо рівняння механічної характеристики асинхронного двигуна у параметричній формі

(1.1.22)

Аналіз рівняння (1.1.22) свідчить, Ідо момент асинхронного двигуна пропорційний квадрату підведеної до нього напруги, а при зростанні ковзання від 8=0 до 5= електромагнітний момент спочатку збільшується до свого максимального (критичного) значення М_х а потім зменшується до нуля. Отже, асинхронні двигуни чутливі до зміни напруги.

На практиці для побудови механічних характеристик асинхронних двигунів користуються рівнянням, в якому використовуються каталожні дані двигуна

(1.1.23)

де М - критичний момент, Н-м;

S - значення ковзання, яким задаються;

S -критичне ковзання;

q - поправочний коефіцієнт.

(1.1.24)

де M-пусковий момент двигуна.

Механічна характеристика електродвигуна створюється також по координатах характерних точок з використанням каталожних даних електро-двигуна.

Визначаються координати точки А.

;

Синхронна кутова швидкість

(1.1.25)

Визначаються координати точки В. Номінальне ковзання

(1.1.26)

Номінальна кутова швидкість

(1.1.27)

Номінальний момент

(1.1.28)

Визначаються координати точки С. Критичне ковзання

(1.1.29)

Кутова швидкість при критичному ковзанні

(1.1.30)

Максимальний (критичний момент)

(1.1.31)

де m_max - кратність максимального моменту електродвигуна.

Визначаються координати точки D.

S = 0,8-0,9.

Кутова швидкість при мінімальному моменті

(1.1.32)

Мінімальний момент

(1.1.33)

де m - кратність мінімального моменту електродвигуна. Визначаються координати точки М.

S = 1,0;w=0.

Пусковий момент

M_пуск=m_пускМ_ном (1.1.34)

де m - кратність пускового моменту електродвигуна.

Рис. 9. Механічна характеристика асинхронного двигуна

Рис. 10. Штучні механічні характеристики асинхронного двшуна

Штучні механічні характеристики асинхронного двигуна можна одержати ири напрузі або частоті струму живильної електромережі, відмінній від номінальної при ввімкнених у коло ротора або статора резисторах тощо.

Штучну механічну характеристику, яка відповідає заданій напрузі U,

відмінній від номінальної U_ном, можна побудувати за природною характеристикою, перерахувавши моменти за формулою

де M_ш і M - моменти за штучною і природною механічними

характеристиками.

При незмінній напрузі та відсутності резисторів у колах статора і ротора двигуна його критичний момент змінюється обернено пропорційно квадрату частоти струму електромережі, а критичне ковзання - обернено пропорційно частоті. Тому штучну механічну характеристику двигуна при частоті струму, відмінній від номінальної, можна побудувати, користуючись

формулою (1.1,22), замінивши в ній природні значення М_max і S_кр, на штучні і визначені за формулами

При введенні додаткових опорів у коло ротора двигуна з фазним ротором максимальний момент залишається незмінним, критичне ковзання і пусковий момент збільшуються, а жорсткість механічної характеристики зменшується.

Гальмівні режими трифазних асинхронних двигунів

Для асинхронних двигунів можливі такі способи гальмування: рекуперативне, динамічне і противмикшіням.

Рис.11. Механічні характеристики асинхронних двигунів у гальмівних режимах:

1' - гальмування противмиканням, зміною напряму обертання ротора; 2" -гальмування противмиканням, зміною напряму обертання ротора при ввімкнених у коло ротора резисторах; 3" - гальмування противмиканням, зміною напряму обертання магнітного поля статора; 4" -гальмування противмиканням, зміною напряму обертання магнітного поля статора при ввімкнених у коло ротора гальмівних резисторах; 5 - динамічне гальмування; 6 - динамічне гальмування при введеному в коло ротора гальмівному резисторові

Рекуперативне гальмування виникає тоді, коли ввімкнений в електричну мережу асинхронний двигун під дією активного моменту статичних опорів робочої машини обертається у напрямі магнітного поля

статора зі швидкістю, вищою за синхронну (W>₀). При цьому двигун працює як асинхронний генератор, віддаючи активну енергію в мережу.

Цей метод гальмування економічно дуже вигідний, оскільки супроводиться віддаванням енергії в електричну мережу.

Динамічне гальмування здійснюється так: обмотки статора двигуна вимикають з електричної мережі змінного струму і під'єдиують до джерела

постійного струму напругою U=0,1U_ном. Крім того, у двигуні з фазним ротором обмотку ротора замикають на гальмівні резистори. При цьому, двигун, обертаючись за інерцією, працює як синхронний генератор. Гілектрична енергія, яку він виробляє, витрачається на нагрівання обмотки ротора і гальмівних резисторів. При зниженні кутової швидкості гальмівний момент знижується і ефективність гальмування зменшується.

Гальмування противмикапням має місце тоді, коли ротор і магнітне поле двигуна обертаються у протилєжішх напрямах. Протилежність напрямів обертання досягається двома способами: зміною напряму обертання ротора при незмінному напрямі обертання магнітного поля або, навпаки, зміною напряму обертання магнітного поля при незмінному напрямі обертання ротора двигуна.

Напрям обертання ротора при незмінному напрямі обертання магнітного поля змінюється тоді, коли момент статичних опорів робочої машини активний і за своєю величиною більший від моменту, який розвивається двигуном (наприклад, в установках для гальмівного спуску вантажу). При цьому робоча машина обертає ротор двигуна проти напряму обертання магнітного поля статора. Двигун працює з ковзанням S > 1 і розвиває гальмівний момент. Для обмеження струму в обмотках і збільшення гальмівного моменту в коло фазного ротора двигуна вмикають резистори з великим електричним опором.

Напрям обертання магнітного поля статора нри незмінному напрямі обертання ротора можна змінити, змінивши черговість фаз на обмотці статора. При цьому ротор двигуна за інерцією буде продовжувати обертатись у попередньому напрямі, але протилежно новому напряму обертання магнітного поля. Двигун розвиває гальмівний момент, і рух електропривода сповільнюється. При швидкості, що дорівнює нулю, двигун необхідно вимкнути з електромережі, в противному разі він знову перейде у двигунний режим і обертатиме машину в протилежному напрямі.

Недоліками гальмування противмикашіям є великі втрати енергії, мала жорсткість механічних характеристик; виникнення великих струмів і механічних зусиль у роторі; можливість реверсування двигуна після гальмування.

Способи пуску асинхронних двигунів

Для асинхронних двигунів, як і для двигунів постійного струму, можливі два способи пуску: прямий і непрямий.

Прямий пуск здійснюють безпосереднім вмиканням обмотки статора на повну напругу електричної мережі. Цей спосіб пуску застосовують для двигунів з короткозамкненим ротором малих і середніх потужностей.

Основним недоліком прямого пуску є великі кидки струму і моменту. Великий пусковий струм викликає спад напруги в електромережі, що утруднює пуск двигуна, зменшує надійність роботи апаратури керування і захисту.

Великий пусковий момент може спричинити поломки в електроприводі та робочій мапгаиі.

Непрямий пуск здійснюється за допомогою спеціальних способів і пристроїв, що дають можливість під час пуску спочатку зменшувати напругу на затискачах двигуна, а потім збільшувати її до номінального значення. Можливі такі непрямі пуски: пуск з перемиканням обмотки статора двигуна з "зірки" на "трикутник"; пуск за допомогою резисторів і реакторів, що вмикаються в коло статора; резисторів, які вмикаються а коло ротора (для двигунів з фазним ротором) та ін.

Пуск з перемиканням обмотки статора двигуна з "зірки " на "трикутник " застосовують для двигунів з короткозамкненим ротором малої і середньої потужності, фази обмотки статора яких розраховані на напругу, що дорівнює лінійній напрузі електромережі. На початку пуску обмотка статора з'єднується на "зірку".

При цьому на кожну фазу обмотки буде подана напруга в √3 рази менша від лінійної напруги електромережі, тому і струм у ній зменшиться у √3 рази. При з'єднанні в "зірку" лінійний струм у √3 рази менший, чим при з'єднанні на трикутник. Тому кидок струму в мережі (лінійний струм) і пусковий момент двигуна зменшаться порівняно з відповідними значеннями цих величин при прямому пуску із з'єднанням обмотки статора на "трикутник" у 3 рази.

Пуск за допомогою резисторів, ввімкнених у коло статора, застосовують для двигунів низької напруги. У двигуні середньої потужності резистори вмикають в усі три фази. При цьому завдяки опорам резисторів знижується напруга на його затискачах, тому відповідно знижується пусковий струм і момент. У малопотужному двигуні, для якого необхідно знизити тільки пусковий момент, величина кидка струму значення не має. З метою здешевлення схеми резистор вмикають тільки в одну фазу. При цьому пусковий момент зменшується завдяки асиметрії напруг.

Реактивний пуск застосовується для потужних високовольтних двигунів.

Пуск за допомогою резисторів, увімкнених у коло ротора, можливий лише для двигунів з фазним ротором.

Розрахунок опорів пускових і гальмівних резисторів для асинхронних електрдвигупів з короткозамкненим ротором

Додаткову активну складову опору кола статора можна визначити за формулою

(1.1.35)

Реактивну складову опору кола статора можна визначити за формулою

(1.1.36)

де а - коефіцієнт (ступінь) зменшення пускового струму;

(1.1.37)

де І, І - відповідно природний і штучний (зменшений) пусковий струми;

Z_к - повний опір короткого замикання двигуна, який можна визначити за формулою:

(1.1.38)

де R, X- активна і реактивна складові опору, які можна визначити за наближеними формулами

R =0,45; Х=2 R.

Розрахунок електричних апоріє пускових і гальмівнихрезисторів для асинхронних двигунів з фазним ротором

Кількість пускових ступенів і ступенів резистора та їх опори можна визначити користуючись наближеними або точними аналітичними чи графічними методами.

У наближених методах (аналітичному і графічному) зроблено припущення, що механічні характеристики асинхронного двигуна прямолінійні. Тому ними можна користуватись лише тоді, коли максимальне значення пускового моменту значно менше від критичного моменту двигуна. Розрахунки виконуються аналогічно відповідним розрахункам для двигунів постійного струму паралельного збудженім.

З точних методів найбільш поширений графічний. Він заснований на положенні, згідно з яким, при будь-яких однакових значеннях моменту на природній і штучній (пусковій) характеристиках ковзання пропорційні опорам фазного кола ротора, тобто

(1.1.39)

Звідки

(1.1.40)

де S і S₍ - ковзання за природною і штучною характеристиками;

r₂ - внутрішній активний опір фази ротора;

R_P - активний опір фазного кола ротора при ввімкненому в нього пусковому резисторі.

Кількість ступенів резистора та їх опори визначають у певній послідовності.

Спочатку будують природну механічну характеристику двигуна (рис. 12). Потім, залежно від умов пуску, задаються максимальним М₁ і мінімальним М₂ пусковими моментами

Рис. 12. Графічний метод визначення опору пускових резисторів, увімкнених у коло ротора асинхронного двигуна

Приймають, що максимальний пусковий момент дорівнює 0,8-0,9 від критичного моменту, тобто М₁ = (0,8-0,9) М_к.

Мінімальний пусковий момент (момент перемикання) повинен бути на 10-20 % більший від моменту статичних опорів на валу двигуна, тобто М₂= (1,1-1,2) М_С

Після цього через точки а і b природної механічної характеристики, що відповідають значенням моментів М, і М₂, проводять пряму до перетину з лінією синхронної швидкості (s=0) в точці t. Точку t з'єднують з точкою d, яка відповідає моменту М₁ і швидкості, що дорівнює нулю (s=1). Пряма td перетинає лінію мінімального моменту в точці n . Із точки п проводять лілію паралельну осі абсцис (моментів) до перетину з лінією максимального моменту і отримують точку с. Потім точку с сполучають прямою з точкою

І. Пряма tc перетинає лінію мінімального моменту в точні м. Із точки M проводять лінію паралельну осі абсцис (моментів) до перетину з лінією максимального моменту і отримують точку (для даного рисунка точка а). У кінці побудови остання пряма, проведена паралельно осі абсцис, повинна проходить через точку а, що лежить на природній механічній характерис­тиці. При шунтуванні останнього ступеня двигун повинен виходити на природну механічну характеристику. Якщо ця умова не виконується, та треба змінити величину М₂ і побудову повторити.

Нарис. 12 показано два ступені резистора. Вертикальні відрізки kd, kc i ka на лінії, проведеній через точку з координатами (М = М₁; s =1), зображають ковзання s_ш1 , і s _ш2 на штучних та s_пp на природній механічних характеристиках. Цим ковзанням відповідають опори роторного кола на першому R₁, і другому R₂ пускових ступенях га внутрішній опір кола однієї фази ротора r₂ Тому, згідно з рівнянням (1.1.40), опори роторного кола на першому і другому пускових ступенях можна визначити так:

(1.1.41)

(1.1.42)

Опори першого r_n1 та другого r_n2 пускових ступенів дорівнюють різницям між опорами роторного кола на відповідних ступенях і внутрішнім опором роторного кола двигуна, тобто

(1.1.43)

(1.1.44)

Опори першого r_p1 та другого r_р2 ступенів резистора визначаються як різниця опорів роторного кола на двох суміжних пускових ступенях, тобто

(1.1.45)

(1.1.46)

Внутрішній активний опір фазного кола ротора можна визначити за каталожними даними, користуючись формулою

(1.1.47)

де R_2иом-номінальний опір ротора, Ом;

s_ном - номінальне ковзання;

Е_2ном - е.р.с. між контактними кільцями при нерухомому роторі. В;

І_2ном - номінальний струм ротора, А.

Регулювання кутової швидкості електродвигунів

Основні показники регулювання кутової швидкості електродвигунів.

Деякі технологічні процеси в сільськогосподарському виробництві потребують регулювання швидкості робочих органів з метою отримання якіснішої продукції, забезпечення оптимального режиму роботи.

Регулювання швидкості - це вимушена зміна швидкості за допомогою певного пристрою відповідно до вимог технологічного процесу незалежно від величини статичного моменту на валу двигуна.

Регульований електропривід оцінюють за такими показниками:

1.Діапазон регулювання - це основний показник регульованого електропривода, що характеризується відношенням можливої максимальної кутової швидкості при даному способі регулювання до мінімальної, тобто

(1.1.48)

2. Плавність регулювання характеризується різницею двох поряд лежачих кутових швидкостей при регулюванні, тобто коефіцієнтом плавності

(1.1.49)

3.Стабільність роботи регульованого електропривода, що залежить від коливань статичного моменту і від жорсткості механічної характеристики двигуна.

4.Допустиме навантаження двигуна. При регулюванні швидкості допустимим навантаженням є таке, при якому в тривалому режимі струм в якірному колі і колі збудження становить не більше номінального.

5.Напрям регулювання. У регульованих приводах за базисну величину приймають номінальну частоту обертання двигуна. Реіулювання частоти обертання може здійснюватись вниз і вверх відносно до номінальної. Напрям регулювання враховують при виборі способу регулювання.

6.Економічність регульованого приводу. Регульований привід повинен забезпечити високу продуктивність машини при високій якості кінцевого продукту. Як правило, приймається той варіант регульованого електропривода, який забезпечує вимоги технологічного процесу, має невисокі якісні показники і мінімальне споживання елекгроенергії.

Регулювання кутової швидкості двигунів постійного струму.

Регулювання кутової швидкості двиїунів постійного струму можна здійснювати такими способами: зміною напрути на якорі, зміною величини резистора в якірному колі, зменшенням магнітного потоку.

Для регулювання швидкості приводів зміною напруги на якорі використовують двигуни незалежного збудження.

Двигуни серії 4П допускають регулювання частоти обертання від номінальної до максимальної, зазначеноїв каталожних даних. При номіналь­ній напрузі на обмотці збудження зміною напруги на якорі тривалістю не більше 5хв при номінальному струмі якоря і тривало - зі струмом якоря 0,81. При цьому допустиме підвищення напруги на якорі дорівнює 220,330 і 460 В для двигунів з номінальною напругою якірного кола відповідно 110, 220 і 440 В. Для регулювання напруги використовуються дросельні і тиристорні перетворювачі-регулятори.

Реостатне регулювання кутової швидкості зміною величини резистора в якірному колі застосовується для двигунів малої потужності. Регулювання частоти обертання здійснюється вниз від номінальної.

Діапазон регулювання непостійний, залежить від навантаження і не перевищує 1:3. Регулювання пов'язане з великими додатковими втратами енергії, яка у вигляді теплоти виділяється в реостаті.

Реостатне регулювання застосовують як основний спосіб в електроприводах з двигунами послідовного збудження невеликої потужності і універсальними.

Регулювання кутової швидкості зміною магнітного потоку

Зменшити струм збудження, а разом з ним магнітний потік електро­двигуна з незалежним збудженням можна за допомогою змінного резистора або регульованого джерела живлення.

Струм обмотки збудження у простих апаратах невеликий (не більше 10% номінального струму двигуна) і втрати енергії невеликі.

Цей спосіб дозволяє регулювати частоту обертання вверх від номінального значення.

Якщо момент опору постійний, то з послабленням магнітного потоку струм в якорі зростає. Допустимим навантаженням на двигун при зміні магнітного потоку слід вважати номінальний струм. Механічні характерис­тики залежно від ослаблення магнітного потоку стають менш жорсткими.

Регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів

Параметри, які впливають на частоту обертання асинхронного двигуна, визначають із залежності

(1.1.50)

Отже, частоту обертання асинхронного двигуна (1.1.15) можна регулювати зміною таких параметрів: частоти струму, f; числа пар полюсів, Р; опору роторного кола та напруги на статорі.

Частотне регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів

У чаcтотнорегульованих електроприводах можна використовувати двигуни загального призначення. При цьому дещо знижуються їх техніко-економічні показники.

Частотнорегульоваиі асинхронні двигуни, як правило, працюють з регуляторами напруги або магнітного потоку, що дозволяє забезпечити сталу роботу електропривода. Отже, ці двигуни можуть мати дещо знижену перевантажувальну здатність.

Частотнорегульваиі двигуни проектують без урахування пускових характеристик, бо вони забезпечуються системою керування. Оскільки частотнорегульовані двигуни можуть працювати при знижених частотах обертання, вони мають незалежну систему вентиляції.

Для сільськогосподарських машин і агрегатів розроблені частотно-регульовані двигуни з межами регулювання частоти 5-60 Гц, а напруги 30- 380В.

У серії АИ передбачено два виконання частотнорегульованих двигунів: 1 - для роботи в діапазоні регулювання частоти обертання 1:3,75 і 2 - в діапазоні 1:22,5, призначені для тривалого режиму роботи, номінальна частота струму - 60 Гц. Двигуни виконання 1 працюють в обмеженому діапазоні регулювання частоти обертання і тому їх виготовлення максимально уніфіковане з двигунами загального використання, мають самовентиляцію. Двигуни виконання 2, як правило, мають незалежну вентиляцію.

Зміна частоти струму живлення дає можливість змінювати частоту обертання двигуна в зоні малих ковзань, а значить і малих втрат енергії в роторному колі. Отже, частотне регулювання кугової швидкості асинхронних двигунів характеризується досить високим коефіцієнтом корисної дії. Система частотного регулювання частоти обертання двигунів забезпечує високу плавність у досить великому діапазоні, а штучні механічні характеристики мають досить високий модуль жорсткості.

При регулюванні частоти струму на затискачах двигуна змінюються його параметри. Так, при зниженні частоти і незмінній напрузі збільшується струм намагнічування, як наслідок, зростає магнітний потік. Збільшення частоти струму призводить до зменшення струму і магнітного потоку двигуна. При незмінному статичному моменті на валу двигуна зростає струм ротора і його температурний режим виходить за межі допустимого. Регулювання частоти струму вимагає одночасного регулювання напруги.

Частотнорегульовані приводи дають можливість регулювати частоту обертання вверх від номінального значення і вниз. Верхня межа регулю­вання швидкості обмежується механічною міцністю ротора. Мінімальна частота обертання обмежується нестабільною роботою перетворювача при низьких частотах.

Промисловість України налагодила серійний випуск регульованих електроприводів потужністю від 0,37 до 5,5 кВт.

Технічні характеристики електроприводів:

вихідна частота,Гц 0…50;

діапазон плавного регулювання частоти обертання 20:1

коефіцієнт потужності не менше

0,85

двигуна

95; ККД, % статичний момент момент на валу не більше

0,7 М

Регулювання кутової'швидкості асинхронних двигунів зміною числа пар полюсів

У сільськогосподарському виробництві деякі машини не потребують плавного регулювання кутової швидкості. Це припливні відцентрові вентилятори для тваринницьких і птахівничих приміщень, деякі металообробні верстати, відцентрові сепаратори молока тощо. У цих випадках використовують полюсоперемикаючі (багатошвидкісні) двигуни. У серії асинхронних двигунів АИ передбачені дві, три і чотири частоти обертання із співвідношенням полюсів 4:2; 4:6; 8:4; 8:6; 12:6; 6:4:2; 8:4:2; 8:6:4; 12:8; 6:4.

Багатошвидкісні двигуни забезпечують регулювання кутової швидкості робочих машин, що мають різні механічні характеристики. На всіх швидкостях двигуни працюють з ковзанням 2—5 %. Отже, втрати потужності невеликі. Система керування двигуном порівняно проста, привід не потребує перетворювального пристрою.

Багатошвидкісні двшуни, крім регулювання кутової швидкості, дають можливість здійснювати ступінчастий пуск робочих машин з великим приведеним моментом інерції з метою зниження втрат енергії при пуску і запобігання надмірному нагріванню при цьому (молочні сепаратори таін,).

Регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів зміною опору роторного кола.

Зміну опору роторного кола здійснюють в асинхронних двигунах з фазним ротором (АИРФ), які є електричною модифікацією двигунів загального використання (АИР). Двигуни з фазним ротором використовують у приводах з тяжким пуском або тих, що потребують регулювання частоти обертання в невеликому діапазоні (1:3).

Введення додаткового опору в коло ротора призводить до зменшення пускового струму, збільшення критичного ковзання, незмінності макси мального моменту і збільшення пускового, механічна характеристика стає менш жорсткого.

Недоліками цього способу регулювання кутової швидкості є низька плавність регулювання, трати потужності в додаткових опорах, погіршення вентиляції при зменшенні кутової швидкості.

Плавне безступінчасте регулювання кутової швидкості зміною опору в роторі одержують при імпульсному параметричному регулюванні,' яке дає можливість створити систему автоматизованого приводу зі зворотними зв'язками.

Регулювання кутової швидкості асинхронних двигунів зміною напруги на статорі.

Регулювання кутової швидкості зміною напруги, підведеної до обмот­ки статора, можливе у двигунів з підвищеним ковзанням при вентиляторному моменті стаїичних опорів на валу. Якщо напруга знижується, то пропорційно квадрату напруги зменшується обертовий момент двигуна. Тому регулю­вати кутову швидкість зміною напруги при постійному статичному моменті опору неможливо, оскільки при цьому знижується перевантажувальна здатність двигуна. Такі приводи використовують для осьових вентиляторів серії ВО, якими комплектуються установки "Клімат", що застосовуються для вентиляції тваринницьких і птахівничих приміщень.

Регулювання здійснюється вниз від основної швидкості. При зниженні напруги жорсткість механічних характеристик і стабільність роботи приводу зменшується. Енергетичні показники регульованого електроприводу при зниженні напруги нижчі, ніж при номінальній. Напругу на затискачах двигуна регулюють за. допомогою автотрансформаторів або тиристорного регулятора напруги.

Консорціум " Енергозбереження" (Харків) випускає регульовані електроприводи серії РЕН. До переваг електроприводів серії РЕН слід віднести:

•фактичігу відсутність споживання реактивної потужності з мережі; • універсальність застосування - для асинхронних і синхронних

електродвигунів;

•ідеальний захист від перевантаження;

•уніфікацію вузлів;

•діапазон зміни вихідної наруги від 20 до 3 80 В;

•ККД при номінальному навантаженні 0,97;

•коефіцієнт потужності при номінальному навантаженні - 0,95- 0,98.

Таблиця 2